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石墨烯制備方法

石墨烯制備方法
IKN  2022-12-28  |  閱讀:832

機械剝離法

機械剝離法是利用物體與石墨烯之間的摩擦和相對運動,得到石墨烯薄層材料的方法。這種方法操作簡單,得到的石墨烯通常保持著完整的晶體結(jié)構(gòu)。2004年,英國兩位科學(xué)使用透明膠帶對天然石墨進行層層剝離取得石墨烯的方法,也歸為機械剝離法,這種方法一度被認(rèn)為生產(chǎn)效率低,無法工業(yè)化量產(chǎn)。這種方法可以制備微米大小的石墨烯,但是其可控性較低,實現(xiàn)大規(guī)模合成有一定的困難。

2016年,中國科學(xué)家發(fā)明了一種簡單高效的綠色剝離技術(shù),通過“球-微球”間柔和的滾動轉(zhuǎn)移工藝實現(xiàn)了少層石墨烯(層數(shù)3.8±1.9)的規(guī)模化制備。 

氧化還原法

氧化還原法是通過使用硫酸、硝酸等化學(xué)試劑及高錳酸鉀、雙氧水等氧化劑將天然石墨氧化,增大石墨層之間的間距,在石墨層與層之間插入氧化物,制得氧化石墨(Graphite Oxide)。然后將反應(yīng)物進行水洗,并對洗凈后的固體進行低溫干燥,制得氧化石墨粉體。通過物理剝離、高溫膨脹等方法對氧化石墨粉體進行剝離,制得氧化石墨烯。最后通過化學(xué)法將氧化石墨烯還原,得到石墨烯(RGO)。這種方法操作簡單,產(chǎn)量高,但是產(chǎn)品質(zhì)量較低。氧化還原法使用硫酸、硝酸等強酸,存在較大的危險性,又須使用大量的水進行清洗,帶大較大的環(huán)境污染。

使用氧化還原法制備的石墨烯,含有較豐富的含氧官能團,易于改性。但由于在對氧化石墨烯進行還原時,較難控制還原后石墨烯的氧含量,同時氧化石墨烯在陽光照射、運輸時車廂內(nèi)高溫等外界每件影響下會不斷的還原,因此氧化還原法生產(chǎn)的石墨烯逐批產(chǎn)品的品質(zhì)往往不一致,難以控制品質(zhì)。 

取向附生法

取向附生法是利用生長基質(zhì)原子結(jié)構(gòu)“種”出石墨烯,首先讓碳原子在1150℃下滲入釕,然后冷卻,冷卻到850℃后,之前吸收的大量碳原子就會浮到釕表面,最終鏡片形狀的單層的碳原子會長成完整的一層石墨烯。第一層覆蓋后,第二層開始生長。底層的石墨烯會與釕產(chǎn)生強烈的相互作用,而第二層后就幾乎與釕完全分離,只剩下弱電耦合。但采用這種方法生產(chǎn)的石墨烯薄片往往厚度不均勻,且石墨烯和基質(zhì)之間的黏合會影響碳層的特性。

碳化硅外延法

SiC外延法是通過在超高真空的高溫環(huán)境下,使硅原子升華脫離材料,剩下的C原子通過自組形式重構(gòu),從而得到基于SiC襯底的石墨烯。這種方法可以獲得高質(zhì)量的石墨烯,但是這種方法對設(shè)備要求較高。

赫默法

通過Hummer法制備氧化石墨;將氧化石墨放入水中超聲分散,形成均勻分散、質(zhì)量濃度為0.25g/L~1g/L的氧化石墨烯溶液,再向所述的氧化石墨烯溶液中滴加質(zhì)量濃度為28%的氨水;將還原劑溶于水中,形成質(zhì)量濃度為0.25g/L~2g/L的水溶液;將配制的氧化石墨烯溶液和還原劑水溶液混合均勻,將所得混合溶液置于油浴條件下攪拌,反應(yīng)完畢后,將混合物過濾洗滌、烘干后得到石墨烯。

化學(xué)氣相沉積法

化學(xué)氣相沉積法即(CVD)是使用含碳有機氣體為原料進行氣相沉積制得石墨烯薄膜的方法。這是生產(chǎn)石墨烯薄膜最有效的方法。這種方法制備的石墨烯具有面積大和質(zhì)量高的特點,但現(xiàn)階段成本較高,工藝條件還需進一步完善。由于石墨烯薄膜的厚度很薄,因此大面積的石墨烯薄膜無法單獨使用,必須附著在宏觀器件中才有使用價值,例如觸摸屏、加熱器件等。 

低壓氣相沉積法是部分學(xué)者使用的,其將單層石墨烯在Ir表面上生成,通過進一步研究可知,這種石墨烯結(jié)構(gòu)可以跨越金屬臺階,連續(xù)性的和微米尺度的單層碳結(jié)構(gòu)逐漸在Ir表面上形成。 毫米量級的單晶石墨烯是利用表面偏析的方法得到的。厘米量級的石墨烯和在多晶Ni薄膜上外延生長石墨烯是由部分學(xué)者發(fā)現(xiàn)的,在1000℃下加熱300納米厚的Ni 膜表面,同時在CH4氣氛中進行暴露,經(jīng)過一段時間的反應(yīng)后,大面積的少數(shù)層石墨烯薄膜會在金屬表面形成。


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